某電廠巖質邊坡防護工程設計

胡謝飛 吳汶垣 孫義杰

(1.中國能源建設集團浙江省電力設計院有限公司，浙江杭州 310014;2.南京庫倫軟件技術有限公司，江蘇南京 211816; 3.南京工業大學交通運輸工程學院，江蘇南京 211816)

隨著國家基礎設施建設的投入逐步深入［1］，山區電廠的建設已成為當前時期電廠建設的主要戰場。山區電廠建設往往會出現一定規模的填方邊坡和挖方邊坡。這些邊坡的穩定與否對電廠施工運營的安全性具有重要意義。邊坡變形破壞模式分析是邊坡穩定性評價和支護設計最為重要的環節之一［2］。巖層傾向與邊坡傾向基本一致的邊坡為順層巖質邊坡［3］，從以往的工程經驗中可以發現，當存在臨空面時，順向坡易發生順層滑動破壞。

1 工程概況

某大型電廠由于場區布置的需要，在場區北側形成人工開挖邊坡:該邊坡為巖質邊坡，邊坡長約107 m，高約17.2 m，傾向232°。該人工開挖邊坡為永久邊坡，需進行邊坡工程勘察和穩定性評價。

工程邊坡所在區域屬剝蝕殘丘地貌，地面高程在125 m～162 m，高差30 m左右。場地內多為渾圓狀丘包和緩坡，丘包坡度在10°～20°。除部分地帶基巖零星出露外，一般都有厚度0～10余米的第四系覆蓋層，經濟作物較少，植被多為茅草及松樹，局部種植有油茶、桂花樹。

2 邊坡巖土體的巖性及結構

2.1 邊坡巖土體的組成、性質

施工場區邊坡區域上覆第四系土層主要為①更新統坡積次生紅黏土。下伏地層為:②石炭系下統巖關階孟公坳段～邵東段()深灰色薄～巨厚層狀泥粉晶灰巖、泥灰巖夾薄～厚層狀粉砂巖、鈣質石英粉砂巖;③泥盆系上統木井塘組第一段上亞段()灰～深灰色中～厚層狀泥粉晶灰巖、云化灰巖，含生物碎屑灰巖。具體地層分布及特征如下:

①次生紅黏土(Qdl):棕紅色～棕黃色，硬塑，稍濕，土質較均勻，無明顯殘積層理，含少量鐵錳質結核，切面光滑，干強度高，韌性高，遇水易軟化，坡積成因。厚度0.5 m～2.0 m，主要分布在表層。

②1泥灰巖(C-D):褐黃色～灰黑色，強風化，裂隙很發育，巖體極破碎，遇水易軟化、崩解，手掰巖芯易呈片狀、碎塊狀，層狀構造，隱晶質結構，巖芯采取率30% ～40%，厚度3.2 m～4.3 m。

②2泥灰巖(C-D):灰黑色，中風化，充填方解石脈，裂隙發育，巖體較破碎，遇水易軟化、崩解，手掰巖芯易呈片狀、碎塊狀，層狀構造，隱晶質結構，巖芯呈塊狀、碎塊狀部分短柱狀，巖芯采取率50% ～65%，厚度0.6 m ～2.0 m。

②3泥灰巖(C-D):灰黑色，微風化，充填方解石脈，裂隙較發育，巖體較完整，遇水易軟化、崩解，層狀構造，隱晶質結構，巖芯呈柱狀、短柱狀，局部呈碎塊狀，巖芯采取率70% ～80%，厚度0.8 m ～9.0 m。

③1灰巖(C-D):灰黑色，中風化，多充填方解石脈，裂隙較發育，巖體較破碎，隱晶質結構，層狀構造，局部碳質、泥質含量較高，巖芯呈短柱狀，局部呈塊狀，巖芯采取率60% ～85%，厚度0.2 m ～2.3 m。

③2灰巖(C-D):灰黑色，微風化，充填方解石脈，裂隙較發育，巖體較完整，局部碳質、泥質含量較高，隱晶質結構，層狀構造，巖芯呈柱狀，短柱狀，巖芯采取率80% ～95%，勘探揭露層厚0.8 m ～8.3 m。

巖質邊坡典型工程地質剖面如圖1所示。

圖1 巖質邊坡典型工程地質剖面

2.2 巖石風化程度及水理性、巖體結構

2.2.1 巖石風化程度及水理性

根據GB 50021—2001巖土工程勘察規范的規定，巖石的風化程度劃分為未風化、微風化、中等風化、強風化、全風化和殘積土六個等級［4］。根據測區巖石的風化情況，在場址區域主要為強風化、中等風化、微風化及殘積土，其中泥灰巖遇水浸泡，極易發生軟化、崩解。

2.2.2 巖體結構及結構面產狀

巖質邊坡巖體以層狀結構為主，泥灰巖泡水軟化、崩解，節理發育密集地帶呈薄層狀結構。主要結構面以層面為主，延伸較長，平直光滑，張開度1 mm～10 mm，大部分泥質充填。野外統計的29個結構面數據，見表1。赤平極射投影分析(如圖2所示)表明，主要存在兩組結構面:①245∠28(層面)，②194∠75。

表1 統計結構面數據

圖2 赤平極射投影圖

3 邊坡坡形設計及計算模型

3.1 邊坡坡形設計

選取典型剖面，典型剖面對應邊坡高度16.25 m(本段邊坡最大坡高 17.2 m，總體坡率約1∶1.10);第一級臺階邊坡，高 10.0 m，坡率1∶1.00，馬道寬 2.0 m;第二級臺階邊坡，高 6.25 m，坡率1∶1.00。巖質邊坡設計坡形見圖3。

圖3 巖質邊坡坡形

3.2 計算模型

計算模型層面傾角28°，與邊坡傾向一致，剪出口為坡腳，見圖4。

圖4 計算模型

4 邊坡穩定性分析原理

平面滑動坡面如圖5所示。

安全系數計算公式為:

其中，W為滑塊重;KH為水平地震影響系數;α為滑面傾角;L為滑塊長度。

圖5 平面滑動剖面示意圖

5 邊坡支護設計參數及計算結果

5.1 邊坡支護設計參數

根據GB 50330—2013建筑邊坡工程技術規范，對于坡高30 m以下、邊坡工程安全等級為二級的邊坡，一般工況下的永久邊坡穩定安全系數取1.3，地震工況下的永久邊坡穩定安全系數取1.1［5］。依據《建筑邊坡工程技術規范》、土工試驗成果及工程經驗，巖(土)層及結構面主要物理力學性質指標建議值見表2。

表2 巖(土)層及結構面主要物理力學性質指標建議值

5.2 計算結果

采用極限平衡計算剩余下滑力。

邊坡設計參數:Cs=15 kPa， =15°，θ=28°。

1)一般工況:

巖體重度γ=25 kN/m3;

G=25 ×100.46=2 511.5 kN/m;

滑面長度L=31.6 m;

邊坡穩定安全系數Fst=1.3。

計算得:抗滑力R=1 068.2 kN/m;

下滑力 T=1 179.1 kN/m;

穩定性系數 Fs=R/T=0.9≤1.3;

剩余下滑力 E=1.3×T－R=464.6 kN/m。

2)地震工況:

巖體重度γ=25 kN/m3;

G=25 ×100.46=2 511.5 kN/m;

滑面長度L=31.6 m;

邊坡穩定安全系數Fst=1.1;

地震影響因子KH=0.081;

滑體單位寬度水平荷載Q=KHG。

計算得:抗滑力R=1 042.6 kN/m;

下滑力 T=1 358.7 kN/m;

穩定性系數 Fs=R/T=0.8≤1.1;

剩余下滑力 E=1.1×T－R=452.0 kN/m。

6 邊坡支護設計

該邊坡為順傾巖質邊坡，經計算邊坡安全系數達不到要求，剩余下滑力為464.6 kN/m。通過剛體極限平衡計算，在支護邊坡安全系數達到1.3的條件下，采用錨噴支護措施，錨桿選用HRB400，錨桿水平距離為1.5 m，錨桿傾角為15°，錨桿布置及長度等參數見表3。

表3 巖質邊坡錨桿布置表

7 結語

通過現場工程地質調查和對勘察資料的綜合分析，對場地平整所產生的挖方邊坡分段進行了結構面統計、破壞模式分析、穩定性分析計算和評價，提出了人工邊坡設計支護方案，得出如下結論:

1)施工場區工程邊坡為永久邊坡，破壞后果嚴重，該工程邊坡工程安全等級為二級。場地地質環境中等復雜，邊坡工程勘察等級為二級。

巖質邊坡上部為覆蓋層，下部主要為灰巖或泥灰巖。在巖質邊坡區域，主要發育兩組結構面:①245∠28(層面)，②194∠75。根據破壞模式分析，該邊坡易沿著結構面發生平面滑動破壞。

2)根據實際邊坡開挖坡率、坡形。對邊坡進行穩定性驗算表明:該巖質邊坡受結構面不利組合因素的影響，安全系數不滿足要求，需要進行專門支護。

3)根據破壞模式及剩余下滑力，對場區巖質邊坡提出了錨噴支護的支護設計方案;根據邊坡巖性條件及結構組成，對巖質邊坡采取了錨噴支護措施。實踐表明該方案能夠保證該巖質邊坡的穩定。